河流生態工程輔助設計系統開發研究

李宏民

摘 要：為遏制日益加劇的水環境惡化和水生態系統退化，現代水利工程應該克服傳統水利工程對河流形態的多樣化重視不足和忽視生態環境的缺陷，遵循河流演變的客觀規律，妥善處理好人與自然相互協調的關系，這就要求進行河流生態工程輔助系統的開發。文章對系統開發中的相關問題進行了探討。

關鍵詞：河流；生態工程；輔助設計；系統開發

1 河流生態工程輔助設計系統開發的必要性

河流防護設施在洪水的沖擊下若遭到破壞，往往會威脅到河岸居民的安全。因此，在考慮居民安全的條件下，以往均以混凝土作為護岸、固床工、丁壩等構造物，雖然達到了防洪安全的目標，但卻破壞了生態環境及影響生態。近年來因生活質量及環保意識提高，促使世界各國逐漸開始重視周圍生態環境及稀有生物的保育，于是運用生態工法的工程設計漸趨普及。

根據生態工法的精神，各個工程的生態工法選用與施工，需考慮當地的生態環境、地形、地質、水文及材料取得等多種因素，且因地點不同而因素也有所不同。因此各個工程在做生態工法規劃設計時，必須以多方面的考慮及評估后，因地制宜，研擬適合當地的工法加以施工，以期能恢復其原始生態且兼顧安全的工程方法為目標。如果對生態系統不夠了解或規劃不夠周詳，則可能導致復育計劃無法達到預期效果甚至失敗，因此有必要發展一決策系統以輔助生態復育。

2 河流生態工程輔助系統基本構成與設計原則

2.1 基本構成

開發河流生態工程輔助設計系統可整合的部分有：生態資料庫、生態信息系統、工法成本估算、工法輔助決策、穩定性評估等。然而，想要整合各項功能，則須有一完整規劃設計流程。因此，應需先確定生態工程規劃與設計的流程，這一流程通常要根據賦予計劃生命周期來考慮。整個復育計劃的完整生命周期有規劃、設計、施工、管理維護與監測等。在這些階段中，從一開始的復育地點選擇、生態環境調查與分析，到復育計劃分析探討與方案的建立等為規劃與設計的階段。其中，河流工程的開始階段，就沒有準確的定位其規劃目標，這將會影響往后的設計、施工、管理維護與監測等，進而影響到整個復育計劃的成效。

2.2 設計原則

工程技術方法的選定，須符合防洪安全目標，并維護或營造水域環境的生態需求，以及是否提供市民親山、親水游戲機能與營造休閑空間等功能。為此，整體溪溝整治工程則需仔細考量，如生態基流量、水流、生物庇護空間及棲地環境的營造等等功能。然而要達到因地制宜，順應自然條件設計及配置，則是工程規劃中最困難的部分，在規劃中最重要的是，能否順應自然條件作妥善的設計及配置，該部分是無法模仿引用的，僅能依據立地條件運用經驗及規劃設計時投入更多心力，才能達成目標。具體來看，如下標準應當加以重視。

一是符合法規要求。任何工程施工均應在相關法令與規范要求下進行規劃與設計，如河流管理辦法、河流區域種植規定等。在符合法規的條件下，應滿足兩種需求：（1）滿足防洪需求，工程構造物應滿足防洪需求，不得影響防洪功能，如計劃洪水位、計劃河寬及參考河床高等。（2）滿足安全需求，工程構造物施設除應滿足防洪需求外，本體的安全性也應考慮，以確保工程永續性。安全需求依工程破壞原因可分為水理與安定兩大因素，其中，水理是指流速、剪力等水流產生外力的分析；安全性是指構造物受到水壓、土壓及沖刷所產生安定性分析。

二是維持河相穩定。構造物施設應避免影響河道的通水面積，尤其是具有深槽的低水護岸，避免因束縮斷面而造成河床下切。固床工與丁壩施工則需避免水流經構造物產生對河岸的破壞、過度淤積或沖刷及產生側向侵蝕。施工過程中，應注意配合生態需求，應就生態搜集資料，邀請生態專家協助分析工程施設后對生態生活史的影響，并將其他設施施工對生態環境沖擊降至最低。

三是創造多樣化環境。基于對生態系統復雜與動態結構的不了解，工程施工時應盡量創造多樣化的生態環境，如護岸的多孔隙、植生等，并利用簡易設施進行營造潭、瀨、回流區等棲息環境的復育或創造，而整體生態之繁衍應由生態自我組構的機制進行重組。

四是工程經濟最佳化。該部分為水利工程施工最難達成的目標，因工程設施具有保護人民生命財產與安定社會民心的目標，為政策性導向的工程，若單純以工程及后續維護管理經費而言，一般工程經濟效益均不高。此處所提工程經濟最佳化系指工程施工時應考量其他非工程措施的配合（如洪泛區劃設）將工程規模降至最低（工程減量）及利用科學化的工具，以增加工程成功機率，降低后續維管費用。

五是營運維護成本最小化。生態工法的水利工程，因工料上的自然限制，如不連續性或植物生長期等，失敗的風險常比混凝土化的水泥工程大。然而，生態治河卻是世界潮流，所以工程后續營運維護成本于設計階段即需考量。

3 河流生態工程輔助設計系統流程構架

系統最主要的功能為規劃與設計試算，借著規劃與設計流程，將系統以階段性的步驟切割，并在各階段適時提供工程人員相關資料的參考；如選擇計劃河段、工址流況的分析、適用工法建議與選用、決定斷面形式及安全性分析等。在工址流況分析時，有航照影像圖輔助加以分析判別；初步工法布置選用時，以輸入流速及選擇規劃之目標等，系統將提供符合條件的工法選項；安全性分析時，經驗公式的分析計算則需輸入各項工法所需的設計條件，系統計算完后顯示是否符合安全條件。

第二項功能為案例資料庫，借助規劃與設計試算的操作，并執行完成工程的規劃與設計案例；系統會在完成時，儲存規劃與設計的結果，并記錄其完成的時間。主要為累積歷年的工程規劃與設計資料，可以提供工程人員在規劃設計時，可有相關設計參考，并更了解當地發生災害的原因，案例資料庫的執行流程。其中，重新計算功能，可以在該案例中的任何階段，重新進行分析計算，并且在完成時，自動存成一個新案例檔。

第三項是生態資料庫，在工法資料庫中可以輸入限定的條件做查詢，或是選擇瀏覽全部資料以列出全部資料，或是選擇規劃目標以判定適合的生態工法；生態資料庫中，也可查詢該河系斷面編號的水理因數條件。

第四項為計劃河段管理，為了避免其他使用者誤編輯計劃河段，故應立登入賬號及密碼，以防止其他使用者隨意新增計劃河段。

第五項為河流管理系統資料庫，可查詢研究區域性的基本資料，由地理空間與信息的方式，展示查詢對象的地理位置與其相關屬性資料，如河流斷面、水系、交通等基本資料。

參考文獻

[1]魏梓興，蔡恭杰，吳阿娜，等.河流管理中引入河流健康狀況評價的意義與思考[J].中國水利，2004（17）.

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